DE1906588A1 - Verfahren zur Steuerung des Wachstums von Kulturen von Mikroorganismen,insbesondere zur biologischen Behandlung bzw. Aufbereitung von Abwaessern - Google Patents
Verfahren zur Steuerung des Wachstums von Kulturen von Mikroorganismen,insbesondere zur biologischen Behandlung bzw. Aufbereitung von AbwaessernInfo
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Description
Verfahren zur Steuerung des Wachstums von Kulturen von
Mikroorganismen, insbesondere zur biologischen Behandlung
bzw. Aufbereitung von Abwässern ·
Die zahlreichen angestellten Untersuchungen und Theorien in
bezug auf das Wachstum der Kulturen von Mikroorganismen sind bisher noch kaum zugunsten von Aufbereitungsanlagen ausgewertet
worden. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass es bisrher unmöglich war, die in die Aufbereitungsanlagen einströmenden Verunreinigungen unverzüglich und unmittelbar entsprechend
zu kontrollieren. Die Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes erforderte nämlich eine Inkubationsdauer von mehreren
Tagen und diejenige des chemischen Sauerstoffbedarfes eine
Oxydationsdauer von mehreren Stunden und so kam es zwangsläufig zu einer zeitlichen Verschiebung zwischen dem Zeitpunkt
der Entnahme einer verunreinigten Probe und demjenigen Zeitpunkt,
zu dem das Ergebnis der Analyse bekannt wurde.
Da QS somit unmöglich ist, sich, über den tatsächlichen Bedarf
an Mikroorganismen und an Sauerstoff zum gleichen Zeit-
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1906&8B
punkt Kenntnis zu beschaffen, zu dem der Yerunreinigungszugang
erfolgt, müssen derartige Anlagen häufig mehr oder weniger
ausschliesslich auf empirischer·Basis arbeiten und die 3 s»·
weils zu treffenden Steuervorgänge bleiben im allgemeinen der
Initiative des einzelnen Dienststellenleiters überlassen. So ist insbesondere die Dichte der gezüchteten Kulturen
meistens über massig hoch und die Schlammentnahmen werden in
periodischen Zeitabständen derart gesteuert, dass die Konzentration dieser Schlammsubstanzen auf einen mehr oder
weniger empirischen Wert begrenzt wird. .
Als unerwünschte Polge hieraus ergibt sich die unkontrollierte
Veränderung im Wachstum der Kultur, was zu schwerwiegenden Veränderungen und TJmkehrungen im Gleichgewicht der Bakterienpopülationen
führen kann.
Um die für einen möglichst vollständigen Stoffwechsel des
Substrats günstigen Bedingungen möglichst aufrechtzuerhalten ist es jedoch von wesentlicher Bedeutung, dass in bezug auf
die Aktivität der meisten Stämme das Gleichgewicht erhalten bleibt. -,";
Nach der Erfindung müssen, um zu diesem Ergebnis zu gelangen,
die unmittelbare Wachstumsrate der Kultur begrenzt und Veränderungen dieser Wachstumsrate möglichst weitgehend vermieden
werden, um diese Rate im wesentlichen auf einem bestimmten Sollwert zu halten. V
909tat/1260
Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, ist die verfügbare Hahrstoff
menge stets in etwa proportional zur Menge der aktiven
Zellgewebe und infolgedessen können die Bakterienpopulationen leben ohne sich zahlenmässig zu vermehren bzw. sich in ihrer
Zahl übermässig zu verringern und sie verbrauchen somit das
Substrat unter den bestmöglichen Bedingungen, wobei ihre Zusammensetzung
und ihre Verteilung konstant und im Gleichgewicht befindlich bleibt.
Um eine genaue und unverzügliche Kenntnis von der unmittelbaren
Wachstumsrate zu erlangen, werden nach der Erfindung die Veränderungen im Atmungsstoffwechsel genau zu demjenigen Zeitpunkt
analysiert, zu dem sie vor sich gehen. Der Atmungsstpffwechsel
lässt sich nämlich an Hand der Kohlensäureerzeugung,
der Behydrierungsaktivität oder auch an Hand des Sauerstoff Verbrauches
feststellen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und auch aus Gründen der Einfachheit und Genauigkeit sei dieselbe an Hand des Ausführungsbeispieles
von spezifischen Messungen für eine besondere
Ausführungsform erläutert, bei welcher die auftretenden
Phänomene an Hand der Ermittlung des Säuerstoff Verbrauches
analysiert werden. '
In diesem Zusammenhang sei nochmals darauf verwiesen, dass die Messungen des biochemischen Sauerstoffbedarfes erst nach Ablauf
einiger Tage bekannt und auswertbar sind. Unter diesen Be-
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dingungen lassen sie sich im Rahmen der Erfindung nicht werten, da in diesem Zusammenhäng die Notwendigkeit besteht,
die gewünschten Angaben unmittelbar oder doch zumindest Tast
unmittelbar ableiten zu können., · :
Im Zusammenhang mit der Erfindung wurde jedoch experimenteil
festgestellt, dass die unmittelbare Wachstumsrate einer Kultur mit der unmittelbaren Veränderungsrate im Sauerstqffverbrauch
derselben zusammenhängt, was auch durch die nach-. W stehende Relation verdeutlicht wird: , ·
dO'
e O'dt
Dabei ist: ' · .
K, Die tatsächliche Wachstumsrate der Kultur; ." -
Kd die Dekdnzentrationsrate der in der Kultur suspendierten
Substanzen, die gleich dem Verhältnis des Gewichtes der
extrahierten oder mit dem Abfluss verlorengegangenen... Substanzen zum Gewicht der erhalten, bleibenden Substanzen
ist; und _ ■ . ... "'";."-;λ; :
0' das Gewicht des pro Zeiteinheit biologisch verbrauchten
Sauerstoffs. . : . ., , _ ,
Daraus folgt, dass dO' die unmittelbare Veränderungsrate des
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in der Kultur verbrauchten Sauerstoffes wiedergibt.
Mit anderen Worten besteht das Verfahren darin, dass laufend die Veränderungstendenz in der Veränderungsrate des Sauerstoffverbrauches
ermittelt und daraus entsprechend unmittelbare Veränderungen in der Wachstumsrate abgeleitet werden und dass
entsprechend die Dekonzentrationsrate (durch Abzug mehr oder weniger grosser Mengen an Substanzen oder gegebenenfalls auch
durch zusätzliche Zugabe von in Reserve gehaltenen Mikroorganismen)
derart beeinflusst wird, dass damit die unmittelbare Wachstumsrate entsprechend korrigiert und auf diese Weise
im wesentlichen konstant gehalten wird.
Dies bedeutet also, dass laufend eine Unterrichtung über die .
verbrauchte Sauerstoffmenge erzielt werden muss, damit daraus
beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Rechenvorrichtung die unmittelbare Veränderungsrate abgeleitet werden kann; diese : .
dOf letztere wird dabei unter Zugrundelegung der Formel
0« dt ermittelt. Dieser unmittelbare Sauerstoffverbrauch lässt sich
unter Zuhilfenahme verschiedener Mittel feststellen,, von denen
einige nachstehend genannt seien:
a) Es kann beispielsweise ein automatisch arbeitendes Atemmessgerät
verwendet werden, das den Belüftungsbehältern kontinuierlich Proben von aktivierten Schlammassen entnimmt.
Dadurch wird auf elektrometrischem Wege unmittelbar der
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unmittelbare Sauerstoffverbrauch festgestellt und diese Angabe
lässt sich dann ohne weiteres gegebenenfalls auch auf
automatischem Wege in der Weise weiterverarbeiten, dass daraus die unmittelbare Veränderungsrate abgeleitet werden
kann. ■ " " ' *■ '
b) Dieser Verbrauch lässt sich auch aus der zur Wirkung gelangenden Oxydationskapazität (K.C V) und aus dem Gehalt :
an gelöstem Sauerstoff C, ableiten. Diese verschiedenen . Parameter lassen sich durch folgende Gleichung in Beziehung
zueinander bringen;
( dCd
0« = (K (C - Cd) -
( s α dt
K Der Gesamtüberträgungswert der Sauerstoffmenge im Zuge
der Belüftung; -
C_ die Sättigungskonzentration an gelöstem Sauerstoff;
Cd die tatsächliche Konzentration an gelöstem Sauerstoff;
und · - ' : ■ - U;:
V das Volumen des Belüftungsbehälters (zu dem gegebenen- '-'
falls noch ein entsprechender Betrag hinzugerechriet
werden muss, um einen !feil des Volumens des Sekuridärdekantiergefässes
mit zu. berücksichtigea).
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Im Hinblick darauf, dass K (das der Regelsteuerung der
Oxidationsvorrichtung entsprechend gegeben ist), C-.und V
bekannt sind, braucht nur noch laufend - vorzugsweise auf elektrometrischem Wege - die Konzentration an gelöstem
Sauerstoff C-, unter Zuhilfenahme von bekannten Mitteln
festgestellt und diese unverzüglich erhaltene Angabe dann
unter Zuhilfenahme der. Rechenvorrichtung entsprechend weiterverarbeitet werden, um somit eine Anzeige über die verbrauchte
Sauerstoffmenge und deren unmittelbare ■Veränderungsrate zu erlangen.
c) Wenn die Erzeugung von Luft mit einer Konzentration an
gelöstem Sauerstoff in Verbindung gesetzt wird,, so lässt
sich die Menge an verbrauchtem Wasserstoff unmittelbar vom Luftdurchsatz ableiten. Der Proportionalitätskoeffizient
ist dabei im wesentlichen konstant und er lässt sich von Zeit zu Zeit mit einem Atmungsmessgerät entsprechend nachprüfen.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen deutlich wird, steht somit
zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine elektrische Information
zur Verfügung, durch welche die unmittelbaren Veränderungsraten
derjenigen Sauerstoffmenge angegeben werden, die von der. Kultur
verbraucht, werden. ,^ .
Wenn derartige Informationen kontinuierlich geliefert werden, so ist es möglich die Wachstumsrate entsprechend einzuregeln.
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Um die unmittelbare Wachstumsrate Kentsprechend einem vprgegebenen
Sollwert aufrechtzuerhalten, besteht das erfindungsgemässe
Verfahren darin, dass jeweils entweder mehr oder
weniger Substanzen abgesogen oder aber gegebenenfalls, solche
zugegeben werden., je nachdem ob sich die Veränderungsrate der
verbrauchten Sauerstoffmenge, vermindert oder zunimmt. Die
Änderungen hinsichtlich der Menge der abzuziehenden. Sub- ,-■-stanzen
wird dabei zur Erzielung einer gleichbleibenden.-.-,..·.
" Wachstumsrate durch, folgende &leichung wiedergegebeni. ,· ._--,;■..
dO'
o'dt- '■" ' ' ■'■"■' "''" : J ■' ■■ ". ;■■·' ■"■■
Dabei ist*,.. ; . . : -.'. : . .
K, - Die tatsächliche Dekonzentratipnsratei wie.sie zu einem
gegebenen Zeitpunkt sein muss; und ...,„. . ...
K-, die mittlere Dekonzentrationsrate, die für den EaIl, indem
eine vollkommene. Regelung erzielt ist,_gleich der :
Sqllwachstumsrate ist. . ,.. . ....... -".". ... ....
Dies bedeutet also, dass die vorerwähnten, elektrischen,,
Informationen, welche eine Übersetzung der unmittelbaren Veränderungsrate der verbrauchten. Sauerstoff menge darstellen,
dazu verwendet werden,. umfdie yoxrXclrt^ngen zum Ab.zug-bzw.,. ·
zur Zugabe entsprechender Substanzen, derart.. zu steuern^; dft.as
die vorstehend angegebene .Relationsgleichungvisu,- jedem.ibe^-,t,,,.
liebigen. Zeitpunkt erfüllt ist.. ^s wird, diamJ,*., dann eine
wandfreie Steuerung der Wachstumsrate.erreicht, die somit
stets gleich dem. Sollwert
Wenn Sien die eine "Reinigung bzw. Aufbereitung bewirkenden
Mikroorganismen derart zusammenballen, dass sie dekantierbare blocken bilden, kann eine entsprechende Modifikation der
Diente einer solchem Kultur durch Abzug eines bestimmten
Seiles der Sehlainaassen erzielt werden, der vom Boden des
Dekantiergefässes abgezogen wird· Bei diesem Teil erfolgt
dann die Kontrolle in der vorstehend beschriebenen Weise.
Wenn sich die Mikroorganismen in der dispergierten Phase
zahlenmässig vermehren, ist eine Bekantierung nur wenig
wirksam und es muss dann eine ELltrierung durch entsprechende
Eiltermembranen vorgenommen werden, um beispielsweise diejenigen
Mikroorganismen wiederzugewinnen, die wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden sollen. Eine Modifikation der
Dichte einer solchen Kultur wird dadurch erreicht,, dass bei
einer Kontrolle der "vorstehend beschriebenen Art eine
eine entsprechende Konzentration, an solchen Mikroorganismen aufweisende flüssigkeit wieder in die Anlage eingegeben wird.
Eine Steuerung der Wachstumsrate durch Extraktion von
Schlammassen ist mir innerhalb bestimmter Grenzen einwandfrei
möglich, d.h, nämlich dann: . wenn die maximale positive Wachstumsrate der ausgeschiedenen
Verunreinigungen Cdi© in erster SSbaxong 3m wesentlichen gleich
" - -909838/1260 ' "'■
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- ίο - .
derjenigen der hereinkommenden Verunreinigungen ist) geringer
oder gleich der Wachstumsrate K der Kultur ist; und
wenn die maximale Verminderungsrate der ausgeschiedenen "
Verunreinigungen (die im wesentlichen gleich derjenigen der
hereinkommenden Verunreinigungen ist) niedriger oder gleich ;
der Differenz zwischen der Wachstumsrate der Kul%ur und der
maximalen Dekonzentrationsrate der in dieser Kultur in
Suspension befindlichen Substanzen ist*
Auch ausserhalb dieser Grenzen ist eine solche Steuerung der
Extraktion von Schlammassen in der vorstehend beschriebenen Weise noch immer sinnvoll, da hierdurch nämlich die Veränderungen in der Wachstumsrate im Vergleich zu denjenigen
Veränderungen, wie sie bei den bisher bekannten Anlagen ohne
eine solche Steuerung auftraten, noch immer herabgesetzt
werden. Ausserdem besteht auch die Möglichkeit einer Beeinflussung
durch Zugabe von Mikroorganisraeiij die beispielsweise ·
einer Gefriertrocknung unterzogen wurden. !
Bas erfindungsgemässe Regelverfahren ist keinesfalls auf
eine entsprechende Steuerung der Dichte einer Kultur beschränkt.
So kann es beispielsweise auch zur entsprechenden Regelung der Zuführungssätze mit periodischer Ansammlung eines
Teiles der durchzusetzenden Substanzen wzä mit Einlass derselben ausserhalb etwa auftretender - Uberlastxmgssseltenherangezogen
werden.
' - 909838/1260 . - -■■■.. - . - '
¥enn nämlich die unmittelbare.Wachstumsrate K. konstant ist,
so ist die folgende G-leichung erfüllt!
dO' dB1
O»dt B'dt
Dabei sind mit B1 die ausgeschiedenen Verunreinigungen bezeichnet,
die als biochemischer Sauerstoffbedarf ausgedrückt sind, was darauf hinausläuft, dass die. unmittelbare Veränderungsrate
bei den ausgeschiedenen Verunreinigungen gleich der unmittelbaren Veränderungsrate in der verbrauchten Säuerst
off menge ist.
Im Falle einer integralen Steuerung können die einströmenden Verunreinigungen B den ausgeschiedenen Verunreinigungen B1
gleichgesetzt werden, da die Reduktionsrate in etwa bei 1 liegt und im wesentlichen konstant ist. Zur Steuerung der einströmenden
Verunreinigungen muss somit.der Einlass der Verunreinigungen
in den bzw, die Belüftungsbehälter jeweils im umgekehrten Verhältnis zum Sauerstoffverbrauch gesteuert
werden und zu diesem Zweck können entsprechende Steuerungsmassnahmen
in bezug auf den Durchsatz und/öder die
Konzentration- der zu behandelnden Flüssigkeit in' diesen Behältern
getroffen werden.. ' · "~- "~'"'
"Wie aus den vorstehenden Ausführungen deutlich wird, wird so-,
mit unverzüglich eine kontinuierliche Kenntnis über die un-
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IBOBSiS-'
mittelbare Veränderungsrate in der Menge des verbrauchten . -j. Sauerstoffes
erzielt. Bei einer gegebenenfalls vorgesehenen ... Peinregelung j mit deren Hilfe die Verunreinigungen ent·^ --^v'".
sprechend kontrolliert werden sollen* besteht die Notwendig- >;
keit,über diese Verunreinigungen unverzüglich und·kontinuierblich
entsprechende Angaben zu erlangen. Diese Angaben lassen -,
sich jedoch in der Weise erzielen, dass ein Messverfahren angewandt wird, das im einzelnen in, einer von- der Anmelderin y·· ■ ■· *:
gleichzeitig eingereichten Anmeldung beschrieben ..ist. ; v· ·?.<·:.... -.-'".
---■■-■ .....·■. -..-.'-■.-■, .:..:-.·.-■:-. ': :\. ■-_, \?.:.c^:- -'S
Wenn sich die Verunreinigungen im:Lauf e· der Zeit nur= wenig>-. ^ ;,
verändern oder aber innerhalb zulässiger Grenzen bleibeii^'-:;,;::
so bezieht sich die Steuerung lediglich auf die Extraktion entsprechender Substanzen.
Schliesslich besteht auch noch, die Möglichkeit der Anwendung
einer Zwischenlösung. Diese Zwischenlösung besteht darin,
) dass der Einlass an Verunreinigungen zu bestimmten Zeiten
korrigiert und die Entwicklung der unmittelbaren Veränderungsrate der verbrauchten Sauerstoffmenge analysiert wird. Mit ·
Hilfe dieser aufeinanderfolgenden Korrekturen ist es möglich, die Veränderungsraten der Verunreinigungen innerhalb ganz bestimmter Grenzen zu halten, so wie dies vorstehend beschrieben
ist, so dass eine integrale Steuerung erreicht wird.
Es ist wichtig festzustellen, dass das erfindungsgemässe
,90983.8/1 260
c £?-■? ' ; ι 'φ y ij «*
Regelverfahren unmittelbare Datenangaben liefert, an Hand derer der Durchsatz an zugeführter Luft entsprechend geregelt
und auf den tatsächlich gegebenen Bedarf eingestellt
werden kann. Dies bedeutet, dass hinsichtlich des diesbezüglichen Energieverbrauches ganz, wesentliche Einsparungen
erzielt werden können.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschränkt ist, da zahlreiche Modifikationen und Änderungen denkbar sind, ohne dass hierdurch der Rahmen der Erfindung
überschritten wird. ν
909838/T2SO
Claims (5)
1) ^Verfahren zur Steuerung des Wachstumes von Kulturen von·.
Mikroorganismen, das insbesondere für die biologische
Reinigung und Aufbereitung von Abwässern anwendbar' ist
und insbesondere darin besteht, dass derartige Flüssigkeiten in Kulturen eingeleitet werden, in denen sich eht<K
sprechende Mikroorganismen entwickeln, dass diesen Kulturen dann Sauerstoff zugeführt und die überschüssigen
Mikroorganismen abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet,.
dass für jeden beliebigen Zeitpunkt die-Änderungsneigung ■
der unmittelbaren Wachsturnsrate der Kultur entsprechend
einer Analyse der Veränderungen im Atmungsstoffwechsel ermittelt und dass die Dichte der Kultur derart modifiziert
Wird, dass die dem Stoffwechsel entsprechende effektive
Zuwachsrate im wesentlichen konstant bleibt.
*' 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass .
die unmittelbare Menge der iii die Kultur gelangenden Verunreinigungen in der Weise modifiziert wird, dass entweder
die Konzentration und/oder der !Durchsatz der eingeleiteten '.
. Flüssigkeit in der Weise. verändert wird, dass die effektive
Zuwachsrate der Kultur im wesentlichen konstant bleibt.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die. Analyse der Veränderungen des Atmungsstoffwechsels
darin besteht, dass fortlaufend die unmittelbare Ver-
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änderungsrate der von der Kultur verbrauchten Sauerstoffmenge
.ermittelt wird.
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modifikation in der Dichte der Kultur durch
Extraktion eines jeweils genau bestimmten Teiles der Schlammasse erreicht wird,
5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Modifikation in der Dichte der Kultur in denjenigen Fällen, in denen sich die Mikroorganismen in der dispergierten
Phase vermehren, dadurch erzielt wird, dass ein jeweils genau bestimmter Anteil desjenigen Flüssigkeit steiles
wieder in den Kreislauf eingeführt wird, in dem die · Mikroorganismen konzentriert worden sind.
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